(1.江西五十铃汽车有限公司，江西 南昌 330000; 2.江铃汽车株式会社，江西 南昌，330000;3.华南师范大学 华南前辈光电子研究院，广东 广州 510006)
择要：在双探头近间隔的超声波测距系统中，存在着丈量精度不高的问题，并且间隔越近偏差越大，在丈量间隔小于10 cm时，由于探头之间的相互影响，将导致无法丈量该段间隔。本系统根据超声波传播过程中的叠加事理，通过剖析探头之间滋扰波与从被测物反射的回波的相互叠加，从而肃清在近间隔丈量时的测距盲区。在发射和吸收探头之间间隔不同时，剖析其对丈量偏差的影响，选择最空想的探头放置间隔，并且结合温度对声速传播的影响，设计出近间隔高精度无盲区超声波测距系统。
：超声波;近间隔;高精度;无盲区;探头放置
：TP216文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.023
引用格式：郑琦，刘龙，刘强.基于KL25的高精度无盲区超声波测距系统［J］.微型机与运用，2017,36（10）：81-84.
0弁言
超声波测距由于具有非打仗式丈量、不受电磁滋扰、构造大略、本钱低等许多优点，在测距方面得到越来越广泛的运用。以往的测距方法常日包括以下两种：（1）用微分电路［1］监测回波旗子暗记的极值电压，该点的斜率为0，并记下从加载勉励旗子暗记到该时候的韶光，从而得到被测物的间隔；（2）用固定幅值门限的比较电路［2］，当回波旗子暗记的电压达到所设的固定幅值时产生中断记下该时候，从而打算出到被测物的间隔。这两种检测方法的共同缺陷是：无法在近间隔范围内丈量，由于所监测的特色在丈量盲区内［3］都会涌现，从而导致丈量结果缺点。以是对应的一样平常办法是舍弃近间隔的丈量，屏蔽盲区的旗子暗记检测，从而限定该类型超声探头在近间隔丈量方面的运用，而选用更精密昂贵的超声波探头运用在近间隔测距的场合。
在收发换能器分立的超声波测距系统中，由于发射探头和吸收探头的间隔较近，发射探头产生的声波旗子暗记在探头壁上产生反射和折射征象，从而使吸收探头吸收到凌乱的回波旗子暗记［4］，且当被测物与超声波探头相距较近时，所收到的回波旗子暗记是从障碍物反射所得还是从发射探头得到将很难分辨，故限定了其在近间隔丈量方面的运用，因此提高近间隔超声波测距系统的丈量精度具有重大的研究意义。
本文提出了一种近间隔高精度无盲区超声波测距的方法，如图1所示。当被测物与超声波探头相距较近时，超声波探头之间产生的滋扰波和从被测物反射的回波将会进行叠加浸染在吸收探头上。探头之间间隔（R）越小，吸收到滋扰旗子暗记的幅值越大，间隔越大，幅值将越小。根据声波旗子暗记的叠加事理，采集吸收到回波旗子暗记的幅值，通过剖析回波旗子暗记的幅值旗子暗记，得出从被测物反射回波的到达时候，从而实现近间隔的丈量。同时，两探头之间的间隔将会影响剖析回波旗子暗记的分辨能力，以是对两探头之间的间隔找一个平衡是提高超声波在近间隔测距精度的关键。
1理论剖析
在超声波测距系统中发射探头发射的能量由所加勉励旗子暗记的能量和探头本身的物理属性决定，考虑探头在半无限大空间中的发射声场时，由于波源各点至轴线上某点的间隔不同，存在声程差，相互叠加时存在相位差而导致相互干涉，使得一些地方声压相互加强，一些地方相互减弱，因此在声束轴线上涌现极大值和极小值，如式（1）所示。这一系列存在极大和极小值的区域即为近场区［5］。
式中，P为轴线上间隔声源a处声压，P0为波型转换次数，RS为圆盘源半径，ω为角频率，t为点源辐射至间隔a处的韶光，k=2π/λ。声压P随t做周期变革，在超声波测距过程中只考虑振幅P1：
声场的指向性，即声束集中向一个方向辐射的性子，声束在该点的集中程度反响了该点声场强度的大小，即可大致地表示该点的声场强度，指向系数Dc按式（4）定义，在晶片尺寸一定时，可以通过式（5）打算该探头的扩散角度，从而打算出不同角度点处的声场强度。
当已知被测物与超声波换能器连接线的中轴线之间夹角 θ的大小时，吸收换能器能够吸收到的比例系数，角度越小，吸收的能量越大［6］。
通过对以上公式的剖析可以得出，在相对探头不同的间隔其他实验条件相同的条件下，声波在空气中的传播速率一定，对应相同的被测物体时，超声波探头吸收回波的声强将与被测物的相对间隔成反比。当被测物在测试系统的盲区范围内时，通过采集回波旗子暗记波峰涌现的时候与无被测物在前时的情形进行比拟，通过实时地跟踪回波旗子暗记的幅度来判断出被测物所涌现的时候，进而打算出被测物所处的位置。
为了能够更精确地丈量出从被测物反射的回波旗子暗记达到的时候，希望所监测回波旗子暗记幅值变革越大越好，以提高旗子暗记的区分度。由于发射探头和吸收探头间隔越近幅值越大，此时滋扰旗子暗记产生的幅值旗子暗记起紧张浸染，而从被测物反射的回波旗子暗记产生的幅值旗子暗记叠加之后会很弱，影响区分度，不宜监测；当发射探头和吸收探头放置过远时，虽然滋扰旗子暗记引起的幅值变革会很小，从被测物反射的回波旗子暗记产生的幅值旗子暗记起紧张浸染，辨识度提高，但是根据图1，探头相对间隔越远偏差越大，以是在个中探求一个得当的探头相对间隔将有利于提高系统的丈量精度。
因在不同的环境温度下声波的传播速率是不一样的，它们之间的关系如式（6）所示，为了减少环境温度对丈量精度的影响，系统中需加入温度纠正模块，通过实时地丈量当前环境下的温度，更新打算中声音的传播速率，提高丈量精度。
c=331.4×1+T/273（6）
2系统组成
为验证理论剖析的精确性，丈量系统利用T/R4016超声波探头制作了超声波近间隔测距系统，如图2所示，T/R4016超声波探头为廉价型超声波测距探头，扩散角为60°，广泛地用在5 m以内的测距领域，其改进型的防水探头被广泛地运用在汽车的倒车雷达系统中［7］。在本系统中为实现间隔的精确丈量，须要利用处理速率较快的微掌握器，至少需达到微秒级别才能知足AD的采集并对回波旗子暗记进行处理，本系统中选用的是NXP KL25微掌握作为掌握核心，该处理芯片为基于Cortex-M0+内核的微掌握器，内核运行频率达48 MHz，知足系统的处理需求。
根据该型号探头的频率特性，其谐振频率为40 kHz，以是选择加载在发射端勉励旗子暗记为40 kHz的方波旗子暗记，且发射的勉励旗子暗记以8个周期脉冲为一组。事理图如图3所示。将trigger引脚连接到KL25的掌握引脚，掌握勉励旗子暗记的输入。
因吸收器吸收到的回波产生的电旗子暗记非常微弱，必须进行旗子暗记放大，同时为了避免其他杂波的滋扰，在电路中加了通频为40 kHz的带通滤波器，滤除40 kHz旁边以外的滋扰旗子暗记，处理电路如图4所示。由于加载的勉励旗子暗记为40 kHz的方波旗子暗记，以是通过放大后的回波旗子暗记也是40 kHz的调幅波旗子暗记，为知够数模转换器（ADC）检测的连续性，对带通滤波后的旗子暗记进行包络检波及平滑处理。系统中加入包络检波的另一个好处是滤除回波旗子暗记的负半轴，虽然滋扰旗子暗记与回波旗子暗记进行波形叠加时会涌现部分减弱的情形，但是包络检波器会对叠加后的波形进行平滑处理，得到的回波旗子暗记都在正半轴，以是包络检波后的旗子暗记都是加强后的旗子暗记。
系统掌握发送勉励旗子暗记后，掌握器同时打开定时器和ADC模块，ADC一贯采集经由包络检波后的回波旗子暗记，并且实时地剖析所采集的旗子暗记，判断回波旗子暗记的最大值是否涌现，若涌现再判断是否为从被测物反射的回波旗子暗记，若是则关闭定时器，定时器里的计数值换算为韶光即为声波从发射到返回所经历的韶光。随后微掌握器读取DS18B20的值，获得当前环境的温度，通过式（6）算出当前声波的传播速率，通过测得的传播韶光和传播速率，打算得出超声波探头与被测物之间的间隔。
3实验与剖析
利用上节描述的测试系统，测试温度为22.5℃，障碍物选用20 cm×20 cm×2 mm光滑印制电路板，使障碍物中央对准超声波换能器连线的中央。当无障碍物在前时，通过微掌握器发送勉励旗子暗记，用示波器不雅观察包络检波后的回波旗子暗记。通过比拟多次相同勉励下的回波旗子暗记，创造波形基本无变革，表明在超声波探头固定的条件下，吸收换能器吸收到因发射换能器产生的滋扰旗子暗记是固定的，且系统稳定。
为了得到最佳的超声波探头放置间隔，须要经由多组实验通过比拟回波旗子暗记的幅值，在偏差只管即便小、辨识度可接管的范围内选取最佳的超声波探头放置间隔。因本组实验为探究超声波发射和吸收探头最佳的放置位置，以是可以直接将示波器的旗子暗记输入探头接在实验系统的包络检波模块的输出端，用示波器直接不雅观察测试系统加载勉励旗子暗记后的回波旗子暗记。
本组实验共分6小组，按超声波发射和吸收探头之间的间隔进行分组，间距即图1中R值分别为0 cm, 0.5 cm, 1 cm, 1.5 cm, 2 cm, 2.5 cm；同时每组实验采集两次数据，一次为无被测物在前的回波旗子暗记，一次为被测物在超声波探头正前方1 cm时的回波旗子暗记，如图5中幅值小的回波旗子暗记线为无被测物在前时的波形，幅值大的回波旗子暗记线为被测物离超声波探头1 cm时的波形。参照图1为使丈量的偏差更小，必须使探头之间的间隔即R值越小越好，同时为使丈量系统对回波旗子暗记的幅值有更高的辨识度，幅值差最好大于即是1 V，以是从测试的结果可以得出，超声波发射和吸收探头之间的间隔取0.5 cm最佳。
在测得超声波发射和吸收探头之间的最佳放置间隔为0.5 cm后，为测试系统对间隔丈量的准确性，本组试验中，固定超声波发射和吸收探头之间的间隔为0.5 cm，改变探头与被测物的相对间隔，通过剖析吸收到的
回波旗子暗记，找出回波旗子暗记最大值到达的时候；通过微掌握器集成的ADC模块可以轻易地采集到回波的电压旗子暗记，在软件中识别出回波旗子暗记的幅值，结合回波旗子暗记的一些特色，可以很好地分辨出被测物的间隔。
通过系统中的温度传感器DS18B20测得当前的温度为22.5℃,根据式（6）打算得出当前的声波速率为344.386 m/s，结合测得的回波旗子暗记到达的时候，通过串口将测得结果输出。测得结果如表1所示。
通过表1中的结果可知，该方法在近间隔的丈量方面是可行的，虽然间隔越近相对偏差越大，但测得的结果仍旧在偏差许可范围之内，并且相对间隔越大相对偏差越小。在研究了探头之间的最佳放置间隔之后，系统丈量的有时偏差减小了，由于提高了幅值旗子暗记的区分度，将有利于剖析回波旗子暗记中的幅值旗子暗记，同时探究探头之间的放置最短间隔，可以减小系统偏差。
4结论
本研究供应了一种近间隔高精度无盲区超声波测距系统，在提出一种肃清超声波测距盲区的根本上，探究了提高系统丈量精度的方法，通过探究双探头超声波测距系统中探头之间最佳的放置间隔，同时辅以温度补偿，使丈量系统肃清了测距盲区同时提高了丈量精度，增加了廉价超声波探头在近间隔范围的丈量，扩大了其运用的范围，比较以条件出的丈量方法有了很大的改进。
参考文献
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